用于Tomo-PIV体积光光路的调整系统和标定板位置的校正方法技术方案

本发明专利技术公开用于Tomo

【技术实现步骤摘要】
用于Tomo
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PIV体积光光路的调整系统和标定板位置的校正方法


[0001]本专利技术属于光学设计和层析粒子图像测速(Tomographic Partivle Image Velocimetry,Tomo
‑
PIV)
，更具体地，涉及用于Tomo
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PIV体积光光路的调整系统和标定板位置的校正方法。

技术介绍

[0002]层析粒子图像测速技术是近几年发展的一种无接触式的三维流场测量手段，其由于能够真实反映三维流场而在流动测量领域得到广泛应用。基本原理为：首先用体积光照亮预拍摄三维体积域，然后使用多台相机记录在流体中的粒子的运动，最后通过重构的三维粒子场中粒子的运动计算出流体的三维速度场。因此，要进行Tomo
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PIV实验，首先需要进行三维体积光的布置。
[0003]由于Tomo
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PIV对流场光强要求较高，目前Tomo
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PIV普遍采用高能线激光器作为光源，并通过一系列的光学镜片将线激光整形为准直的体积光。目前激光整形以透镜的组合为主，其扩束的体积光截面普遍为圆形或者椭圆形分布。在实验过程中，每台相机均需要拍摄一定景深范围内的流场，以使整个照明区域的粒子全部对焦，因此照明区域如果过大则会增大对拍摄的景深要求，而大景深往往会导致镜头光圈值增大，镜头进光量减少，进而导致拍摄图像出现信噪比减小，图像质量变差的问题。同时，非必要区域内三维流场的处理也会造成计算资源的浪费。因此，为了得到高质量的拍摄图像并节约计算资源，往往需要对原始体积光进行二次切割处理，使得照射拍摄区域的体积光尺度与目标拍摄流场的大小相当。
[0004]另一方面，为了确定三维流场的空间尺寸，校正图像的空间扭曲，在进行Tomo
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PIV实验前，往往需要对体积域进行空间标定。标定的作用类似于在拍摄空间与内建立真实的三维物理坐标系。在标定过程中，标定板需要沿着体积光厚度方向的移动多个等距位置，以覆盖整个体积拍摄流场。为了满足上述要求，往往需要对体积光的位置和方位角度进行调整，以使得体积光准直面与标定板面平行。
[0005]在体积光产生系统中，激光整形的镜片的间距以及放置角度的微小变动往往会对光束整形效果产生较为严重的影响。而在实际测量过程中，体积光的拍摄区域往往需要根据拍摄需求进行位置的移动。因此，拍摄位置的变动往往伴随激光器以及光学镜片位置的移动，进而带来耗时的体积光系统的调整过程。一方面会增大Tomo
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PIV的操作流程的复杂度，另一方面也导致激光器及其光学部件因频繁移动造成的寿命的衰减。
[0006]因此，为了满足上述拍摄要求，亟需设计出一套调整精度高、调整范围大，操作简单的体积光光路的调整装置，以优化Tomo
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PIV的拍摄流程。

技术实现思路

[0007]针对Tomo
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PIV系统对体积光的形状、方位角度以及强度等因素要求较高，且尚无
适用性较强的相关调整装置的技术问题，本专利技术提供了用于Tomo
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PIV体积光光路的调整系统和标定板位置的校正方法，其目的在于实现调整精度高、调整范围大、操作步骤简单的体积光光路调整。
[0008]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种用于Tomo
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PIV体积光光路的调整系统，所述调整系统包括：光路方位调整模块、光阑和升降台；
[0009]所述光路方位调整模块包括激光反射镜、激光反射镜架和俯仰台；
[0010]所述反射镜架，用于固定激光反射镜，且反射镜架倾斜平面与水平面的夹角为45
°
；
[0011]所述激光反射镜，用于反射水平入射的体积光；
[0012]俯仰台，用于可拆卸连接反射镜架，并在xy平面俯仰微调反射镜架的角度，使得反射的体积光平行于yz平面出射；
[0013]光阑，用于将平行于yz平面出射的体积光切割为边界强度分明的指定规则形状；
[0014]升降台，为光路方位调整模块和光阑构成的机构的支撑装置，用于调整该机构与入射体积光的相对高度，使得水平入射的体积光能够通过激光反射镜反射并使反射的体积光的光轴通过光阑的中心。
[0015]优选地，所述调整系统还包括：旋转台、光学平板和移动导轨；
[0016]所述旋转台，用于可拆卸连接俯仰台，并在xz平面内旋转俯仰台，使得切割后的体积光到达照明的区域所在的y方向和z方向的位置；
[0017]所述光学平板，用于可拆卸连接旋转台；
[0018]所述移动导轨，用于固定光学平板，并在x方向移动光学平板，使得切割后的体积光到达照明区域所在的x方向位置。
[0019]有益效果：本专利技术通过旋转调节，获得体积光在y方向和z方向的移动自由度，通过平移调节，获得在x方向的移动自由度，在不移动入射光源的情况下，实现了体积光在三个方向位置的调整，提升了体积光光路调整的灵活性。
[0020]优选地，所述调整系统还包括：位于照亮区域上方的第二激光反射镜，用于对照亮体积流场的体积光进行反射，进而对体积流场进行二次照明。
[0021]有益效果：本专利技术通过第二激光反射镜对体积流场进行二次照明，从而增大拍摄流场的亮度，提高体积光的能量利用效率，提高了拍摄图像的信噪比。
[0022]优选地，矩形光阑的侧面通过螺纹孔与四根第一光学支撑杆连接；
[0023]采用四根第二支撑杆与光学平板连接；
[0024]每根第一光学支撑杆和每根第二支撑杆之间利用万向节连接；
[0025]所述万向节支持两杆360
°
相对转动，同时配备锁紧手轮便于锁紧牢固。
[0026]有益效果：本专利技术通过四个万向节即可实现光阑在反射镜正上方与光学平板平行的稳定布置，此外，该连接方式可以使光阑具有y，z方向的移动自由度，在y方向的移动可以使光阑的高度可调，在z方向的移动便于调整光阑中心与体积光光轴重合。
[0027]优选地，若光阑的长度大于体积光截面光斑，将光阑的位置升高，直至光斑的长轴为光阑长度的120％停止；反之，将光阑的位置降低，直至光斑的长轴为光阑长度的120％停止。
[0028]有益效果：高度可调节，弥补光阑为矩形时，光阑长度尺寸对光斑长度的限制，增
大可整形的范围。
[0029]优选地，所述调整系统还包括：位于照亮区域内的标定板，用于对体积流场的空间位置进行标定。
[0030]为实现上述目的，按照本专利技术的第二方面，提供了一种标定板位置的校正方法，该方法包括：
[0031]S1.通过如上述调整系统，将体积光调整到激光照射预定位置；
[0032]S2.调整光阑的宽度为1mm，得到面激光；
[0033]S3.将标定板调整为与面激光相切，从而实现标定板位置的校正。
[0034]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于Tomo
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PIV体积光光路的调整系统，其特征在于，所述调整系统包括：光路方位调整模块、光阑和升降台；所述光路方位调整模块包括激光反射镜、激光反射镜架和俯仰台；所述反射镜架，用于固定激光反射镜，且反射镜架倾斜平面与水平面的夹角为45
°
；所述激光反射镜，用于反射水平入射的体积光；俯仰台，用于可拆卸连接反射镜架，并在xy平面俯仰微调反射镜架的角度，使得反射的体积光平行于yz平面出射；光阑，用于将平行于yz平面出射的体积光切割为边界强度分明的指定规则形状；升降台，为光路方位调整模块和光阑构成的机构的支撑装置，用于调整该机构与入射体积光的相对高度，使得水平入射的体积光能够通过激光反射镜反射并使反射的体积光的光轴通过光阑的中心。2.如权利要求1所述的调整系统，其特征在于，所述调整系统还包括：旋转台、光学平板和移动导轨；所述旋转台，用于可拆卸连接俯仰台，并在xz平面内旋转俯仰台，使得切割后的体积光到达照明的区域所在的y方向和z方向的位置；所述光学平板，用于可拆卸连接旋转台；所述移动导轨，用于固定光学平板，并在x方向移动光学平板，使得切割后的体积光到达照明区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：单峰，余志强，方兆波，刘迎睿，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：